Илья Ехлаков

Эксперимент NOνA

• Введение
• Научные цели
• Нейтринный поток NuMI
• Ускоритель и улучшение NuMI
• Детекторы NOvA

Введение

    Проект NOνA (NuMI Off-Axis ν_e Appearance) - это сотрудничество 181 ученого и инженеров из 26 учреждений, которые планируют изучить  нейтрино, используя пучок нейтрино от NuMI (Neutrinos at the Main Injector) в Fermilab. Эксперимент NOνA разработан, чтобы искать осцилляции мюонного нейтрино к электронному нейтрино, сравнивая количество зарегистрированных электронных нейтрино на участке Fermilab с количеством электронных нейтрино зарегистрированных к югу от Интэрнэшнл-Фолс, штат Миннесота в 810 километрах от Fermilab. Если осцилляции произойдут, то на дальнем участке будут обнаружены электронные нейтрино в пучке мюонных нейтрино, произведенных в Fermilab.

    Проект NOνA состоит из трех главных элементов:

• Модернизация комплекса ускорителя Fermilab. В настоящее время ускорители Fermilab способны подавать пучок мощностью 400 кВт для пучка NuMI. В соответствии с проектом NOνA, эта величина будет поднята до 700 кВт. Модернизации до величин свыше 700 кВт (к 1.2 МВТ или 2.3 МВТ) обсуждаются.
• Двухсот двадцати двухтонный ближний детектор будет помещен в новую, небольшую подземную пещеру, смежную с существующей подземной пещерой, в которой размещается эксперимент MINOS. Ближний детектор измерит электронные нейтрино и фон, не относящийся к электронным нейтрино для поиска появления этих частиц.
• Дальний детектор весом 15 килотонн будет расположен в новом устройстве, расположенном в Эш Ривер, штат Миннесота, к югу от Интэрнэшнл-Фолс и американо-канадской границы. Детектор будет составлен из 385 000 ячеек из прессованного поливинилхлорида. Каждая ячейка 3.9 см шириной, 6.0 см глубиной и 15.5 метров длиной. Ячейки будут заполнены 3.3 миллионами галлонов жидкого сцинтиллятора, свет от вспышек будет распространяться до ФЭУ при помощи специального оптоволокна.

    Строительство объектов эксперимента предполагается закончить в январе 2014, и первый запуск будет длиться 6 лет

Научные цели

    Нейтрино создаются и детектируются в результате так называемых слабых взаимодействий. Нейтрино имеют своего рода заряд слабого взаимодействия, также известный как «аромат», который обозначается как e, μ и τ. Посредством квантово-механического процесса, называемого суперпозицией, нейтринные состояния определенного аромата могут быть получены комбинацией нейтринных состояний, имеющих определенную массу. Математически это выражается так:

    Матрица определена в терминах синусов (s) и косинусов (с) трех углов (θ₁₂, θ₂₃ и θ₁₃), и одной фазы δ. Определение содержит фазу δ, меняющую знак при переходе от материи к антиматерии, и, как говорят, нарушает СР-симметрию.
    Факт того, что состояния с ароматом состоят из комбинаций массовых состояний приводит к феномену, называемому нейтринными осцилляциями. Когда нейтрино перемещаются их «ароматный» состав меняется в результате изменения относительной фазы массовых состояний, композицией которых они являются. Таким образом, поток мюонных нейтрино полученный в Фермилабе, может содержать электронные и тау-нейтрино, после того, как пройдет некоторое растояние. Эффект изображен на картинке ниже.

«Ароматный» состав пучка нейтрино, используемого на NOvA. На источнике нейтринный пучок состоит всецело из мюонных нейтрино (зеленых). В процессе продвижения пучка в его составе увеличивается доля тау (синий) и электронных (красный) нейтрино. Приблизительно через 1000 км пучок будет полностью состоять из электронных и тау нейтрино. Приблизительно чистым пучком мюонных нейтрино пучок снова станет через 2000 километров и процесс будет повторяться. NOvA располагается на расстоянии 810 км, около пика осцилляций электронных нейтрино.

Достаточно известно также о нейтринных состояниях и их смешивании. Изучение нейтрино, производимых на Солнце, а также на Земле в ядерных реакциях дают нам θ₁₂=35^о , m₂²-m₁²=80 μeV². Изучение нейтрино, рожденных в земной атмосфере и на ускорителях дают θ₂₃=45^о, а |m₃²-m₂²|=2.4 meV². Последний неизмеренный параметр θ₁₃ – основная задача эксперимента NOvA. Вид приведенной выше матрицы дает понять, что если оставшийся угол не 0, следовательно имеет место нарушение СР четности, следовательно, смешивание нейтрино может нарушать симметрию между частицами и античастицами. Эта шокирующая возможность может быть связана с общей симметрией материи и антиматерии, существующей сегодня во Вселенной. Другой неотвеченный вопрос в этой картине: массы нейтринных состояний. Вполне вероятно, что m₃ – легчайшее или тяжелейшее нейтринное состояние. Вопрос иерархии масс нейтринных состояний может быть адресован к NOvA, и это ключ к пониманию будущих результатов нейтринных осцилляций и важный момент, разделяющий теоретические модели нейтринных масс и их смешивания.

Нейтринный поток NuMI

    NOvA будет использовать существующий поток «Нейтрино в главном инжекторе» (NuMI) в Фермилабе который в настоящее время производит нейтрино для эксперимента MINOS, который располагается  на центральной линии нейтринного потока, детектор NOvA будет расположен слегка в стороне от центральной линии. Его не осевое положение создает сильный поток нейтрино с пиком на энергии в 2 GeV, на энергии, на которой, как ожидается, нейтринные осцилляции будут иметь максимум. Относительная малость не осевого потока помогает отсеивать фон при поиске появления электронных нейтрино. Временно NuMI работает в конфигурации, оптимальной для продуцирования нейтрино малой энергии, оптимальных для эксперимента MINOS. Для NOvA конфигурация будет изменена на работу с продуцированием нейтрино средних энергий. На оси пик энергии потока будет составлять 7 GeV.

Ускоритель и улучшение NuMI

    Как часть проекта NOvA, устройство ускорителя и потока NuMI будет улучшена для поддержки потока нейтрино большей интенсивности, чем это сейчас поддерживается. В коллайдере, работающем в Фермилабе, рециклинговое кольцо, в настоящее время используемое для накопления антипротонов, может быть преобразовано в пре-инжектор для Главного Инжектора. Это приведет к уменьшению цикла с 2 секунд до 1.33 секунды, на 80% увеличит мощность потока при увеличении пучка протонов всего на 10%. Это улучшение требует построения новой передаточной линии и дополнительных высокочастотных станций в Рециклере и Главном Инжекторе.  В дополнение, линия NuMI должна быть оборудована улучшенной системой управления, рассчитанной на большую мощность пучка протонов. Это включает в себя сооружение новых мишеней, улучшение охлаждающей системы и исправления основной протонной линии.

    Эти изменения будут произведены между двумя выключениями. Во время первого выключения летом-осенью 2010 будут проведены работы по перестройке рециклингового кольца в кольцо для накопления протонов, а также начаты модификации NuMI. Во время второго отключения летом-осенью 2011 магнитные горны NuMI будут перенастроены, чтобы получить оптимальную фиксацию пучка.
    Возможны другие улучшения интенсивности протонов в NuMI. Одна из возможностей «SNuMI» использует Накопительное кольцо для сбора дополнительного количества протонов с Вспомогательного кольца. Таким образом можно будет достичь мощности пучка в 1.2 МВт. Другая возможность состоит в том, чтобы заменить Вспомогательное кольцо новым протонным линейным ускорителем. Этот «Проект Х»  увеличит интенсивность потока до 2.3 МВт.

Детекторы NOvA

 Проект NOvA будет использовать два детектора, один располагается в 810 километрах от Фермилаб на американо-канадской границе, на севере Минисоты, и один располагается под землей в Фермилаб в туннеле NuМI. Дальний детектор будет 15.6 метров в ширине, 15.6 метров в высоте и 75 метров в длине и весить 15 килотонн. Ближний детектор должен быть значительно меньше. А именно 2.9 m x 4.2 m x 14.3 m и весом 222 тонны.

    Детекторы NOvA должны быть сооружены из поливинилхлоридных блоков чередующейся вертикальной и горизонтальной ориентации. В дополнение к дальнему детектору NOvA создадут «Интегрированный прототип ближнего детектора», который будет работать в здании NuMI на поверхности в 2008-2009 годах. Этот детектор будет видеть пучок NuMI под углом 110 миллирадиан. Для выполнения физических экспериментов NOvA соорудят ближний детектор под землей под тем же самым углом к оси, что и дальний детектор.
    Поливинилхлоридные модули покрыты диоксидом титана для увеличения отражательной способности.  Эта технология подобна той, которую в промышленном масштабе используют при производстве гаражных дверей и ограждений. 32 секционные модули создаются соединением двух 16 секционных модулей вместе. Каждая секция имеет внутренний размер 3.8 см поперек направления пучка и 5.9 см вдоль направления пучка. Длинна модуля изменяется от 15.6 метров для дальнего детектора до 4.2 метров и 2.9 метров для ближнего детектора.
    Каждая ячейка заполнена жидким сцинцилятором, и свет от сцинциляторных вспышек собирается специальным оптоволокном. Волокна проникают в каждую ячейку с обоих концов и связывают ее с одним пикселем фотоэлектронного умножителя. На дальнем конце модуля NOvA будет собирать в среднем 28 фотоэлектронов на каждый мюон, превысивший порог ФЭУ в 15 фотоэлектронов.
    Согласно замыслу NOvA каждое событие будет отображаться на одном из специальных дисплеев. Квазиупругое событие с участием мюонного нейтрино обычно показывает два четких трека. Событие с участием электронного нейтрино обычно классифицируется по наличию неясного трека с примерно тремя соударениями с ячейками попрек плоскости.

    Примеры тока событий мюонного нейтрино (слева) и тока событий электронного нейтрино (справа), симулированных в детекторах NOvA. На каждом дисплее сгенерированное методом Монте-Карло событие показано в двух верхних панелях. А симулированный отклик детектора – в двух нижних. На двух левых панелях показан вид в плоскости XZ, а на правых двух панелях в плоскости YZ. В обоих случаях трек отлетающего протона виден коротким треком, а трек лептона – длинным. Электронное нейтрино отличается от мюонного его нечетким пересекающимся профилем.

Подготовлено по материалам http://www.fnal.gov/